基于LPC2292數字自整角機轉換控制的研究

張壽春

（上海海事大學 信息工程學院，上海 201306）

數字-自整角機轉換器（DSC）可把以數字形式表示的角度控制量轉換成三相交流信號，用來驅動自整角機[1]，在船舶上常用力矩式自整角機組成同步傳遞系統，得到了廣泛應用。隨著數字羅經的普及，這就要求采集數字航向信號來驅動自整角機[2]。在實際應用中，由于機械摩擦與驅動匹配以及自整角機本身等因素，對速度匹配有很高的要求。因此需要對力矩式自整角機組成同步傳遞系統進行控制，以達到最佳效果。

本系統中采用LPC2292[3-6]作為控制內核，產生正、余弦函數。通過采集電羅經和磁羅經數字信號來驅動操舵儀的自整角機，并采用了分段細分控制從而彌補了單純采用PID算法的不足，在實際應用中取得了很好的效果。

1 系統的實現

系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖Fig.1 Principle of system

系統微處理器采用LPC2292，根據0183協議[7]，通過RS485或CAN通信接口來采集電羅經和磁羅經的數字航向信號，系統上電初始化時在微處理器內部將航向信號轉換為驅動自整角機所需的正弦和余弦從0度到360度進行數字量采樣。

根據航向角度的不同，輸出相應的數字量，通過數字到模擬轉換芯片以及功放電路輸出。輸出的信號再經過變壓器組合輸出給自整角機。

2 輸出控制

2.1 航向數據采集

系統按照NMEA-0183標準定時接收數據。接口方式：RS-422（RS-485）數據以ASCII碼格式發送。格式為：$--HDT，XXX.X，T*hh回車符換行符，在實際應用中，有一些產品發送的航向值有差別，有3種情況X.X，XX.X，XXX.X。為了更好的兼容，通過串口取得數據時要進行判斷，判斷的依據是在2個逗號之間的數據有幾位。如果接收到的第9個數據是0X2E，那么發送的數據是X.X；如果接收到的第10數據是0X2E，那么發送的數據是XX.X；如果接收到的第11個數據是0X2E，那么發送的數據是XXX.X。

通過串口獲得航向數據，設32位航向變化變量runda，系統開始時runda等于 runda1和 runda0，runda為0。runda1是實時接收的航向值，runda0是上次的航向值，系統根據runda的值進行運動。如果值大于零，系統驅動自整角機正轉，如果值小于零，系統驅動自整角機反轉。當航向變化跨越360.0度時，要對數據進行修正，實現代碼如下：

2.2 控制策略

首先對從自整角機發送機送出的三相交流信號進行分析可知，航向同步發送電機的激磁U0是110 V/50 Hz的交流信號，其輸出三相交流電壓是與U0同頻的交流電，三相信號是同頻率、同相位的，只不過幅度分別被調制。因此要想驅動自整角機系統必須構造兩個函數 sin（ωT）sin（θ）和 sin（ωT）cos（θ），通過組合產生相位差120度的三相交流信號從而驅動自整角機，利用斯柯特變壓器可以實現信號的轉換[1-8]。

系統采用LPC2292和數模轉換來產生正弦和余弦的函數，通過對正弦和余弦函數進行0到360度離散化，在微處理器開辟2 K的RAM區存放正弦函數的數字量，另2 K的RAM區存放余弦函數的數字量。通過D/A模塊AD7537[9]輸出，取與激磁電壓同頻同相的交流電作為參考電壓。360度被分成1/1 024。針對不同的角度，取相應的存在RAM區的正弦和余弦值的數字量，傳送給數模轉換芯片。通過功率放大和斯科特變壓器的線性組合產生驅動自整角機的三相信號[10]。

通過對自動舵的羅盤驅動結構分析，由于在船舶上常用力矩式自整角機組成同步傳遞系統，由于機械摩擦與驅動匹配以及自整角機本身等因素，限制了高速運行。本系統采用慢啟動，慢停止。啟動后在變化角度X0內，微處理器輸出給D/A的正弦和余弦的值以Y0低速變化，當羅盤航向角度與接收的航向角度差大于X1時微處理器輸出正弦和余弦的值保持輸出速度Y2。在X0到X1區間采用分段控制微處理器輸出值的速度來控制自整角機自動加速和減速。通過改變LPC2292的定時器的定時寄存器的值來實現速度的加減。對于本系統X0可取2度，X1可取10度，需要進行智能控制的是[X0，X1]區間內系統自動加減速，如圖2所示。微處理器輸出控制量是定時器值。

通過控制輸出數據的速度來控制自整角機的速度，當航向runda大于一定的值，自整角機的速度保持恒定的速度。系統實時判斷runda變量的值，通過改變LPC2292的定時器0的定時參數來實現速度調節，本系統采用分段控制，變量值從0到10度每秒區間分5段。當runda小于2度時，在2 048 ms內輸出數據1 024個，那么定時器定時參數為2 ms；當runda大于2度小于4度時，在1 024 ms內輸出數據1 024個，那么定時器定時參數為1 ms；當runda大于4度小于8度時，在512 ms內輸出數據1 024個，那么定時器定時參數為0.5 ms；當runda大于8度小于10度時，在256 ms內輸出數據1 024個，那么定時器定時參數為0.25 ms；如果值大于10度，定時參數不變。在啟動加速階段和減速停止階段實現慢啟動和慢停止。當大于一定的值，如果取值太快，驅動機構跟不上變化。為了獲得更好的平滑，可以對定時參數進行細分。

圖2 系統的角度與速度圖Fig.2 Angle and velocity variation diagram of system

3 實驗與分析

將主羅經信號模擬裝置和模擬分羅經及數字羅經連接好，調節數字航向值和羅盤指示值。航向發送自整角機在不同速率的下跟蹤情況如表1和表2，圖3是分段細分控制方式的速度變化曲線。

表1 實時控制的羅盤指示值Tab.1 The gyro-compass value of using real-time control

表2 分段控制的羅盤指示值Tab.2 The gyro-compass value of using several steps control

圖3 系統的速度變化圖Fig.3 Velocity variation diagram of system

通過實驗發現，如果直接將接收的航向變化，經過計算得正弦和余弦值輸出給D/A從而驅動自整角機，會出現跟蹤不平滑，在二次接收航向時間之間有停止的過程，而采用分段控制輸出正弦和余弦值的速度可使系統跟蹤平滑且在航向變化很大時使系統能匹配輸入的變化準確跟蹤，從而防止急啟動和急停止而形成的誤差。在航向速率小于等于20°/s本系統能很好滿足羅盤指示的精度。

4 結束語

為了更好地匹配船舶上常用力矩式自整角機組成同步傳遞系統，文中采用LPC2292芯片并通過上電初始化時計算獲得正弦和余弦的采樣值存在RAM中。通過芯片的定時器定時取值輸出到模數轉換模塊從而實現驅動自整角機，同時采用分段控制方式，在不同的階段通過定時寄存器的值的改變來控制輸出正弦和余弦值的變化速率，從而對系統輸出三相電壓信號的航向角的變換速率進行智能控制。克服了航向信號直接驅動自整角機及傳動系統所出現的誤差和跟蹤不連續不平滑等缺點，經試驗證明，性能穩定。目前在許多船舶上得到應用。

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[2]徐大林，顧良圭，黃新吉.小型化高精度DRC/DCS模塊開發研究[J].電子工程師，1999（7）:21-22.XU Da-lin，GU Liang-gui，HUANG Xin-ji.Development and research of miniaturization of high precision DRC/DCS module[J].Electronic Engineer，1999（7）:21-22.

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[4]周立功，張華等.深入淺出ARM7——LPC213x/LPC214x[M].下冊.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[5]周立功，張華等.深入淺出ARM7——LPC213x/LPC214x[M].上冊.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[6]周立功.ARM微控制器基礎與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

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[8]張敏.數字-自整角機轉換器的研究[J].江蘇電器，2008，8（3）:18-19.ZHANG Min.Study on digital synchro converter[J].Jiangsu Electrical Apparatus，2008，8（3）:18-19.

[9]AnalogDevices，Inc.AD7537[EB/OL]. （2008-10-9）.http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/48231/AD/AD7537.html.

[10]沈祝山，楊篤偉，楊東升.數字/旋轉變壓器轉換模塊及其外圍電路設計[J].電子技術應用，2001（1）:77-78.SHEN Zhu-shan，YANG Du-wei，YANG Dong-sheng.Design ofdigital/rotary transformerconversion module and its peripheral circuit[J].Application of Electronic Technique，2001（1）:77-78.